DE2100809C - Elektrisches Schaltungselement mit einem piezoelektrischen Ein knstallresonator aus Lithium Tan - Google Patents

Description

4. Schalungselement njch Anspruch 3, da- schließt.

durch gekennzeichnet, daß der Einkristall unter Es ist weiterhin bekannt, als piezoelektrisches

einem Winke! (β) von r 35 bis f 50° geneigt ist. 25 Kristallmaterial Lithium-Tantalat zu verwenden

5. Schaltungselement nach Anspruch 3, da- (französische Patentschrift L 567 613), wobei die Erdurch gekennzeichnet, daß die Breitenabmessung regung in der Weise erfolgt, daß der Kristall mecha-(ir) des Einkristalls höchstens gleich der halben iiische Schwingungen in Form von Biegeschwingun-Längenabmessung isc. " gen durchführt. Der Schnitt der bekannten Lithium-

6. Schaltungsefemeiit nach einem oder mehre- 30 Tantalat-Kristalle ist dabei innerhalb eines Toleranzren de; Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- bereichs von ±5°/'o genau in die yz-Ebene gelegt. Es net, daß der Einkristall in einer Oberschwingung hat sich jedoch gezeigt, daG der bekannte Lithiumder Längsdehnungsschwingungsform betrieben ist. Tantalat-Kristall eine relativ hohe Impedanz besitzt

7. Schaltungselement nach Anspruch 1 oder 2, und zudem neben den erwünschten Biegeschwingundadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall in 35 gen auch unerwünschte Sciavingiingsformen aufder Breiten-Längenbiegungsschwingungsform be- treten.

trieben ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen

piezoelektrischen Einkristall zu schaffen, welcher bei

Breitbandfiltein im Mittelwellenbereich verwendet

40 werden kann und bei dem unerwünschte Schwingungsformen sowie eine hohe Impedanz vermieden

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches werden.

Schaltungselement mit einem piezoelektrischen Ein- Die Aufgabe wird bei einem elektrischen Schalkristallresonator aus Lithium-Tantalat, welcher min- tungselement der eingangs genannten Art erfindungsdestens zwei gegenüberliegende parallele Flächen 45 gemäß dadurch gelöst, daß der Einkristall eine Längssowie zwei an diesen Flächen befestigte Elektroden . seile und eine Schmalseite besitzt, wobei die Längcnaufweist. abmessung des Einkristalls senkrecht zu seiner elck-

In der Nachrichtentechnik ist es häufig erwünscht, Irischen Achse liegt und gegen die mechanische

zwei elektrische Schaltkreise bzw. Schaltungen so Achse unter einem Winkel von +25 bis +50° ge-

tniteinander zu verbinden, daß die Verbindungsstelle 50 neigt ist.

Dur für Signale innerhalb eines bestimmten Frequenz- In vorteilhafter Weise sind sämtliche Flächen des

bandcs durchlässig ist. Hierfür können Schaltungen Einkristalls rechtcckförmig.

mit herkömmlichen elektrischen Bauelementen wie In Weiterbildung der Erfindung wird vorgcschla-

beispiclsweisc Widerstände, Spulen und Kondensato- gen. daß der Einkristall in der Grundschwingung der

fen verwendet werden. Es ergeben sich jedoch be- 55 Längsdehnungsschwingungsform betrieben ist.

trachtlichc Verringerungen sowohl des wirtschaft- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er-

lichen Aufwandes als auch der Größe der Schaltungs- findung ist der Einkristall unter einem Winkel von

elemente, wenn als Filter piezoelektrische Kristalle +35 bis -1-50" geneigt.

verwendet werden (s. beispielsweise den Aufsatz Eine Möglichkeit besteht darin, daß die Breiten-

»A Monolithic Crystal Filter« in der Zeitschrift »Bell 60 abmessung des Einkristalls höchsten' gleich der hal-

Laboratories Record«, Vol. 46 [Februar 1968], Nr. 2, ben Längenabmesstmg ist.

S. 52 bis 54). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der

Die Wirkungsweise von piezoelektrischen Filtern Einkristall in einer Oberschwingung der Längsberuht bekanntlich auf der Existenz von Resonanz- dehnungsschwingungsform betrieben ist.
frequenzen, die den verschiedenen Formen mechani- 65 Bei einem bevorzugten Ausfiihrungsbeispiel der Erschcr Schwingungen des Kristalls zugeordnet sind. findung ist der Einkristall in der Breiten-Längen-Wiid der Kristall mit elektrischen Signalen beauf- biegungsschwingungsform betrieben.
«;h!agt, so entsteht auf Grund des piezoelektrischen Der Vorteil "der erfindungsgemäßen piezoelcktri-

sehen Einkristalle besteht darin, daß diese beim Betrieb in der Längenausdehnungsschwingungsform oder der Breiten-Längenbiegeschwingungsform inneihalb des Frequenzbereichs von 10 kHz bis 3 MHz einen Frequenztemperaturkoefnzienlen von Null aufweisen. Die erfindiingsgemälkn Einkristalle haben ferner einen hoben elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wodurch ihre Verwendung in Breitbandkr-.allfihern und spannungsgeregelten Oszillatoren ermöglicht ist. Ein weiterer Vorteil ist eine geringe elektrische Impedanz der erfindungsgemäßen Einkristalle. Sie zeigen ferner keine unerwünschten Schwingungsformell und weisen eine Veränderung der Temperatur des »Niill-Frequenztemperaturkoeffizienten« in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel auf, wodurch die beliebige Festlegung dieser Temperatur irn Bereich zwischen 15 und 120 C möglich ist.

Die Erfindung wird an Hand eines in d~m Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert: es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lilhium-Tantalat-EinkrisTallplatte innerhalb eines räumlichen Koordinatensystems,

F i g. 2 eine graphische Darstellung, welche die Abhängigkeit der Frequenzkonstanten (K₁) von dem Neigungswinkel ((-)) eines erfindungsgemäßen Lithiiim-Tantalat-Einkristalls wiedergibt,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche das Kapazitätsverhältnis (r) in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel (H) eines erfindungsgemäßen Lithium-Tantalat-Einkristalls wiedergibt.

F i g. 4 eine graphische Darstellung, welche den Verlauf der Frequenzänderung in Teilen pro Million über der Temperatur in C für einen erfindungsgemäßen Einkristall mit einem Neigunsswinkel (H) von -!-35 ' wiedergibt,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche den Verlauf der Frequenzänderung in Teilen pro Million über der Temperatur in ' C für einen erfindungsgemäßen Einkristall mit einem Neigungswinkel von + 40^r wiedergibt,

Fi g. 6 eine graphische Darstellung wie Fi g. 5. jedoch für einen Ncigungswnkcl (H) von -{- 45',

F i g. 7 eine graphische Darstellung wie in Fig. 5, jedoch für einen Neigungswinkel ((-)) von f 48',

Fig. 8 eine graphische Darstellung wie in Fig. 5, jedoch für einen Neigungswinkel (H) von ! 50",

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche den Verlauf der Übergangstemperatur in °C über dem Neigungswinkel (H) für einen erfindiingsgemäßen Einkristall wiedergibt,

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Schaltelementes mit einem erfindungsgemäßen Einkristall,

Fig. 11 und 12 perspektivische Darstellungen von weiteren Ausführungsbcispielen elektrischer Schaltelemente unter Verwendung erfindungsgemäßer Einkristalle.

F i g. 1 zeigt die räumliche Orientierung des erfindungsgemäßen Lithium-Tantalat-Einkristalls innerhalb eines orthogonalen Systems mit den Achsen .ν, ν und z, wobei die *-Achse der elektrischen Kristallachse, die v-Aclise der mechanischen Kristallachse und die ".-Achse der optischen Kristallachse entspricht. Die Lage des Einkristalls ist derart gewählt, daß die Iv- Achse die Länge, die ; .v-Achse die Breite und die ! z-Achse die Dicke des Kristalls definiert, wobei der Kristall um den Winke! H aus der v-Achse in Richtung auf die c-Achse gedreht ist. Der Neigungswinkel H ist dabei positiv für eine derartige Drehung im Gegenuhrzeisersinn und negativ für eine derartige Umdrehung im Uhrzeigersinn. Die dargestellte Orientierung des erfindungsgemäßen Einkristalls soll nachstehend als r.vM--M-Schnitt bezeichnet werden, entsprechend der Nomenklatur des >Institute of Radio Engineers? für piezoelektrische Kristalle in »Proceedings of the Institute of Radio Engineers«, Bd. 37 (Dezember 1949). Nr. 12. S. 1378 bis 1395. Diese Einkristalle arbeiten in der Breiten-Längenbiegesehwingungsform in einem Frequenzbereich von 10 bis IjO kHz und in der Grundschwingung der Längendehnungsschwingungsform in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz. Durch Verwendung der dritten uiid fünften Oberschwingung der Längendeliniingsschwingungsform kann c:,·: obere Frequenzgrenze bis auf 3 MHz ausgedehnt v.erden. Unterhalb der jeweiligen unteren Grenze des Frequenzbereichs werden die Abmessungen der Kristalle zu groß, und zwar nicht nur im Hinblick auf die Schwierigkeiten bei dem Ziehen bzw. Züchten von qualitativ guten Einkristallen dieser Größe, sondern auch hinsichtlich einer Verringerung des Raumgewinns bei Filtern. Oberhalb der jeweiligen oberen Grenze des Frequenzbereichs werden die Kristalle so klein, daß die bei der Herstellung auftretenden Schwierigkeiten das Erreichen von Charakteristiken mit einem Temperaturkoeffizienten von Null begrenzen.

Obwohl es sich gezeigt hat, daß die Kristallschwingungen aus einem Frequenzband bestehen, ist es zweckmäßig, sich auf eine einzige »Mitten-Frequenz« / zu beziehen, die durch Multiplikation mit

den füi eine bestimmte Schwingungsform geeigneten Kristallabmessungen die Frequenzkonstante K₁ er-Längenbiegungsschwingungsform gilt:

/ ■ / = K₁,

wobei / die Kristallänge bedeutet. Für die Breiten-Längenbiegungsschwingsform gilt:

J2
W

/ = K₁,

worin / die Länge und w die Breite bedeuten.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Frequenzkonstante K₁ in kHz ■ mm über den Neigungswinkel H für einen in der Längendehnurgsschwingungsform betriebenen crfu.dungsgemäßen Lithium-Tantalat-Einkristall graphisch dargestellt. In der nachfolgenden Tabelle I sind einige Werte für den Neigungswinkel H und die zugehörigen Werte für die Frequenzkonslante K₁ an~ nesjcben.

Tabelle I

Neigungswinkel (H)

-1-25°
-1-35°
+ 40°
+ 48°
+ 50°

FrciiiicnzkonMante
kHz · mm

2797
2840
2853
2867
2862

Zwar kann der Darstellung gemäß F i g. 1 entnommen werden, daß sich K_f mit H ändert, doch entsprechen solche Änderuncen nur kleinen Abmessuncs-

änderungen des Lithium-Taiitalat-Einkristalls für eine besondere Mittenfrequenz. Die maximale Frequenzkonstante und damit die kleinste Kristallängc für eine vorgegebene Frequenz ergibt sich bei einem Neigungswinkel von etwa 45".

Die Länge des Einkristalls ist für die Längsdehnungsschwingungsform in Abhängigkeit von der gewünschten Mitlcnfrequenz zu wählen, während die Breiten- und die Dickcnabincssungcn des Einkristalls unkritisch sind. Vorzugsweise wird jedoch die Breite unterhalb der halben Länge gewählt, um unerwünschte Schwingungsformen, wie beispielsweise die Brcitendehnungsschwingungsform zu verhindern. Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, solche Abmessungen zu wählen, die einen langen dünnen Stab mit geringer Impedanz ergeben.

Die Bandbreite der Frequenzen, auf die der Krislall zugeschnitten ist, bestimmt sich im allgemeinen durch den Kopplungskocffizientcn, der dem sogenannten Kapazitätsverhältnis r des Einkristalls proportional ist. Das Kapazitätsvcrhällnis r ist durch die mathematische Beziehung

C₁

/.s²

definiert, wobei C und C₁ die statische Kapazität b/.w. die Bcwegimgsk;inn7it;it des. Krkliilk darstellen und /_u, und /_s Frequenzen sind, die jeweils der Parallel- bzw. der Scricnresonanz entsprechen. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Lilhiui.i-Tantalat-Einkristalls besteht darin, daß das Kapazitätsverhältnis r ungcfi'hr ein Sechstel des Kapazitätsverhältnisses von Quarz ist, wodurch die Verwendung in breitbandigcn Kristallfiltcrn oder in breitbandigcn spannungsgi regelten Oszillatoren ermöglicht ist.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Kapazitätsvcrhältnisses r über den Neigungswinkel für einen in der Längsdehnungsschwingungsform betriebenen erfindimgsgcmäßen Einkristall, Man erkennt, daß sich das Kapazitätsverhältnis r beträchtlich mit dem Neigungswinkel ändert, wodurch es möglich ist. durch einfache Änderung von (H) die Bandbreite zu ändern. Bei einem Neigungswinkel θ von 4 40° weist r ein Minimum mit dem Wert 19.9 auf und steigt anschließend bei einem Neigungswinkel H von 4 50° auf den Wert 21,3 an. Bei einem Wert von (-) gleich +35° j_st (r) auf 22 angewachsen und steigt weiterhin schnell für kleinere Winkel an. Sofern eine große Bandbreite erwünscht ist, ist (-) vorzugsweise in den Grenzen zwischen 35 und 50' zu wählen.

In Fig. 4, 5, fi, 7 und 8 ist die Frequenzänderung in Millionstel (ppm) über der Temperaturänderung in "C für verschiedene Neigungswinkel (-) und für die Längsdehnungsschwingungsform aufgetragen. Jede der dargestellten Kurven weist eine angenähert parabolische Form auf, wobei der Tcr.peraturwert des Scheitelpunktes dieser Kurven diejenige Temperatur darstellt, bei welcher der Temperaturkoeffizient der Frequenz Null ist. Diese Temperatur wird als Übergangstemperatur T_n bezeichnet, oberhalb und unterhalb derer die Temperaturwerte positiv b/.w. negativ aufgetragen sind. Die maximale Frequenzänderung beträgt beispielsweise bei der Kurve nach Fig. 8 für eine Temperaturabweichung innerhaib des Bereichs von T_n - ;» 25° C ciwa 78 Millionstel. Diese Veränderungen stellen Werte des Frequcnztcmperaturkocffizicntcn dar, weiche für die genannten Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßci Schaltungselemente* ausreichend klein sind.

In Fig. 9 ist die Übergangstemperalur in C über einen Neigungswinkclbcreich von 25 bis 50' für die Längsdehnungsschwingungsform aufgetragen Die Ubergangstcmpcratur liegt bei etwa 120 C be einem Neigungswinkel H von 25' , während Einkristalle mit Neigungswinkeln von ( 35 bis I 50 Obergiingslempcraturen im Bereich von 150 bi<

ίο 68 C aufweisen. Diese Werte gestatten die Auswahl des Neigungswinkels in der Weise, daß eine für dit beabsichtigte Verwendung geeignete Übergangstemperatur gewählt werden kann. Es gibt zwar für jede vorgegebene Übergangstemperatur zwei mögliche Neigungswinkel; in den Fällen jedoch, in denen optimale Bandbreiten erwünscht sind, ist vorzugsweise ein Neigungswinkel über 35" zu wählen.

In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispicl eines crf'indungsgemäßen elektrischen Schaltelemcntes mit einem

ao Lithium-Tantalat-Einkristall dargestellt, welcher in der Grundschwingung der Längsdehnungsschwingungsform betrieben wird. Das dargestellte Schaltelement 10 weist an zwei gegenüberliegenden parallcijn Flächen der Länge / die Elektroden 11 und 12 auf, die beispielsweise aus einer Chrom-Gold-Lcgicrung bestehen können.

An den Elektroden 11 und 12 sind elektrische Verbindungsleitungen !3 und 14 aufgebrach!, welche Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse darstellen, die mit einer nicht dargestellten Schaltungsanordnung elektrisch verbunden sind.

Wenn bisher hauptsächlich die Wirkungsweise %'on Einkristallen beschrieben wurde, die in der Grund schwingung der Uingsdehniuigsschwingungsform betrieben werden, so ist es ohne weiteres ersichtlich, daß die Vorteile eines Temperaturkoeffizienten der Frequenz von Null sowie eines kleinen Kapazitätsverhältnisses auch bei erfindungsgemäßen Einkristallen erzielt werden, die mit den Oberschwingungen der Längsdehnungsschwingungsform und in der Brcitcn-Längcnbicgeschwingungsform betrieben werden.

In Fig. 11 ist ein Ausführungsbeispiel eines weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelement mit einem Lilhium-Tanlalat-Einkristall dargestellt, welcher auf der dritten Oberschwingung Her Längsdchnungsschwingungsform schwingt. Das dargestellte Schaltelement weist an zwei entgegengesetzten parallelen Flächen der Länge / die Elektroden 21 und 22 auf, welche mit elektrischen Leitungen 23 und 24 verbunden sind, die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse darstellen.

In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel

eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltelemcntes

- mit einem Lithium-Tantalat-Einkristall dargestellt, welcher in der Breiten-Längcnbiegungsschwingungsform schwingt. Abweichend von den voranstchend beschriebenen Ausführungsbeispielcn sind hier zwei entgegengesetzte parallele Flächen der Länge / des Einkristalls 30 mit negativen Elektroden 31 und 34 bzw. positiven Elektroden 32 und 33 verschen. Mit den Elektroden sind elektrische Anschlußleitungen 35. 36, 37 und 38 verbunden, welche Eingangs- und Ausgangsanschlüsse darstellen. Ein in einem derartigen Schaltelement verwendeter LiTaO..-KristalI sollte mindestens eine Reinheit von 99"Ό aufweisen und von der Stöchiometrie um nicht mehr als 4 10% abweichen, wobei Li und TaO., jeweils mit 50 MoI-prozcnt vorhanden .--.ind.

nachstehenden Tabelle II sind einige heraus- thium-Tantalat-Iiinkristallen mit einem Neigungslligenscliaftcn von erfindungsgemäßen Li- winkel von I 45 ' zusammcngestclll.

Tabelle II

Scliwir.kiingsform	K*	r**	V"
Grundschwingung der
Längsdchnungs-
schwingungsform ....	2870	20	0,15
Dritte Oberschwingung
der Längsdchnungs-
scliwingungsform ....	8585	29,8	0,02
Breiten-Langcn-
biegungsschwingungs-
torm	5225	36,1	11,46

* FrcquenzV.onstante (kHz · mm). ** Kapnzitatsvcrhältnis. '** Inclukliviiiitskonstanlc (H/mm).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

109 617/404

Claims (3)

1 2 Effektes eine mechanische Kristallschwingung in Patentansprüche: einem bestimmten Frequenzband mit der Resonanzfrequenz als Mittenfrequenz Diese mechanischen

1. Elektrisches Schaltungselement mit einem Schwingungen werden am Ausgang des Kristalls als piezoelektrischen Einkristallresonator aus Li- 5 elektrische Ausgangssignale gleicher Frequenz abgethium-Tantalat, welcher mindestens zwei gegen- geben.

Liberliegende parallele Flächen sowie zwei an die- Es ist ferner bekannt (deutsche Patentschrift

sen Flächen befestigte Elektroden aufweist, da- 727 468. schweizerische Patentschrift i71 890,-USA.-

durch gekennzeichnet, daß der Ein- Patentschrift 2467353), für piezoelektrische Filter

kristall (10, ?.n bzw. 30) eine Längsseite und eine io bzw. Oszillatoren im Kurzwellen- und Ultrakurz-

Schmalseite ucsitzt, wobei die Längenabmessung Wellenbereich Einkristalle aus Quarz zu verwenden,

(/) des Einkristalls senkrecht zu seiner elektri- deren Schnitt in einer Ebene liegt, die aus der

sehen Achse (.γ) liegt und gegen die mechanische .vz-Ebene um bestimmte Winkel gedreht ist. Derartige

Achse (y) unter einem Winkel (β) von +25 bis Quarzkristall können fernerauch im Langwellenbe-

r50 geneigt ist. 15 reich (USA.-Patentschrift 2 284 753) verwendet wer-

2. Schaltungselement nach Anspruch 1, da- den. Nachteilig an den bekannten Quarzkristallen ist durch gek nnzeichnet. daß sämtliche Flächen des jedoch ein verhältnismäßig geringer mechanischer Einkristalls (10. 20 bzw. 30) leehteckförmig sind. Kopplungskoeffizient (d. h. das Amplitudenverhältnis

3. Schaltungselement nach Anspruch 1 und' zwischen der anregenden elektrischen Schwingung oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- 20 und der angeregten mechanischen Kristallschwingung) kristall (10, 20 bzw 30) in der Grundschwingung sowie die verhältnismäßig schmale Bandbreite, die der Längsdehnungsschwingungsform betrieben ist. eine Verwendung in breitbandigen Schaltungen aus-